水下目标吸声材料和结构的研究
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收稿日期： ２００５－０６－１０； 修回日期： ２００５－１０－３１ 作者简介： 石勇（ １９７７－） ， 男， 吉林人， 博士生， 主要从事水下声隐身结
构的研究．
标吸声用材料的吸声机理和分子结构的声学设计、 水下吸声结构的形式、声学特性的研究和应用情况 进行了分析综述， 并对未来的发展进行了预测。
腔被压扁， 上部的等效阻抗不再是渐变的了， 与水阻 抗失配的增加， 使反射增强， 另外， 空腔的固有频率 也会升高， 低频吸声效果随之下降［２３］。
（ ２） 耐压复合吸声结构 材料中的气泡或气孔可以大大增加吸声效果， 但在几百米的水深压力下气泡被大大压缩， 材料的 弹性下降， 使结构的吸声效果变差。耐压复合吸声 材料要采用透声性能较好的刚性骨架与吸声材料结 合的结构。 一 般 以 金 属 铝 薄 壁 结 构 作 为 耐 压 的 外 骨 架 ［ ２４－２６］ ， 因为它具有良好的透声性， 材料吸声单元如图 ４ 所 示。通过耐压吸声试验结果表明： 在 ３ＭＰａ 压力条件 下， 不带骨架的吸声材料已无工作能力， 而装有铝外 壳的吸声材料可达常压下吸声效果的 ９０％。 这种复合材料实质上是内部的吸声材料在低压 条件下所起的吸声作用， 但工艺要求较高， 距实用尚 需时日。
聚氨酯弹性体与橡胶类吸声材料相比， 聚氨酯 分子链的活性大， 分子结构可设计性强， 可以通过改 变软硬段的比例、接枝、共聚等方法， 控制主链的长 度、支链的数量和体积、以及交联度， 进一步设计材 料的声学性能； 聚氨酯材料粘结性好， 有利于与填料 的混合， 从而制成的复合吸声材料能增加声波的损 耗； 而且聚氨酯材料的制２!作工艺相对２简! 单， 常温条件 即可进行， 不像橡胶材料的混炼工艺那么复杂。聚 氨酯类材料继橡胶之后被称为第二代水下吸声材
文献［ １２］ 研究了聚氨酯分子链交联密度和软硬 段种类和数量对声能损耗的影响。研究表明： 交联 密度降低， 分子链的运动阻力减少， 当材料受到外力 作用时， 就会有更多的分子参与构型转化， 使分子链 段内磨擦运动增加， 从而吸收外界能量； 同时， 由于 链段运动的自由度增大， 也加剧了聚合物分子与填 料之间的相互作用， 使材料的声能损耗大为提高。 另外， 软段含量增加， 材料声能损耗也增加。
单一材料的阻尼温域窄， 通过共聚和共混的方 法连接多个阻尼材料组分的玻璃化转变温度（ Ｔｇ） ， 从而实现材料的宽温域、高阻尼。文献［ １３］ 制备了
氯化丁基橡胶和聚（ 甲基） 丙烯酸酯共混复合物， 将有 效阻尼功能区移向高温。文献［ １４］ 通过丙烯酸酯橡胶 和聚氯乙烯共混， 得到的共混物在－ １０℃￣８０℃呈现两 个阻尼峰， 并使两峰间的阻尼值提高。文献［ １５］ 采用 聚氨酯和聚酯共混、共聚体系， 通过调节恰当的组分 比例， 制成了宽温域、高阻尼的聚氨酯材料。
５０６
声
学
技
术
２００６年
尼损耗。弹性弛豫过程的吸声机理是： 弹性吸声材 料会变形， 主要是由于每个分子由球形变为椭圆形， 而分子链本身并无变化， 这种变形的特征是有明显 的弹性滞后现象， 即分子链由原来各链段紊乱排列 的球形构象， 向各链段接近同向排列的构象过渡需 要一个过程， 而使一个分子链的各链段完全进入与 外力大小相应的新构象分布时， 需要更长的时间。 同理， 除去外力作用时恢复原状也需要一个过程。 在这一过程中， 变形落后于应力的变化， 使得声能转 变为热能而损耗。通过对吸声材料分子结构进行设 计， 可以达到增加粘性内摩擦和弛豫吸收的目的。 ２．２ 水下吸声材料分子结构的声学设计
关键字： 吸声材料； 声学机理； 高分子结构； 吸声结构
中图分类号： Ｏ４２７
文献标识码： Ａ
文章编号： １０００－３６３０（ ２００６） －０５－０５０５－０８
Ｏｖｅｒ ｖｉｅｗ ｏｆ ｎｅｗ ｍａｔｅｒ ｉａｌｓ ａｎｄ ｓｔｒ ｕｃｔｕｒ ｅｓ ｆｏｒ ｕｎｄｅｒ ｗａｔｅｒ ｓｏｕｎｄ ａｂｓｏｒ ｐｔｉｏｎ
水下吸声材料的声学性能与材料的高分子结构 （ 如分子 链 的 长 短 、构 形 、缠 绕 方 式 等 ） 是 密 不 可 分 的， 利用高分子材料的分子结构的可设计性， 对材料 进行吸声设计， 使其达到最佳吸声性能， 这就是分子 结构的声学设计。从材料研制的角度讲， 分子结构 的声学设计是提高水下吸声材料声损耗研究的主要 内容。一般通过嵌段、接枝、共聚和 ＩＰＮ 等方法对分 子结构进行设计， 增加材料声损耗的性能［６， ７］。
标结构的声隐身设计具有重要意义。结合近年来水下目标吸声材料和结构的应用及研究， 从材料声学设计的角度，
讨 论 了 水 下 吸 声 材 料 的 声 学 特 性 和 研 究 进 展 。 还 对 水 下 吸 声 结 构 的 形 式 、吸 声 机 理 和 应 用 情 况 进 行 了 归 纳 和 评 述 。
最后预测了水下目标吸声材料和结构的发展趋势。
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｆｏｒ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｓｏｕｎｄ ｓｔｅａｌｔｈ， ｉｔ ｉｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｓｏｕｎｄ－ ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒａｎｇｅｓ ｏｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ， ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ ｏｆ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｓｏｕｎｄ－ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｒｅ ｓｕｒｖｅｙｅｄ ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｃｏｕｓｔｉｃｓ． Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ， ｓｏｕｎｄ ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ， ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ． Ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｐｒｅｖｉｅｗｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｓｏｕｎｄ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ； ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ ｍａｔｅｒｉａｌ； ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
文献［ ８］ 解释了丁基橡胶的分子结构与阻尼性 能的关系： 丁基橡胶是异丁烯和少量异戊二烯的共 聚物 ， 其 中 聚 异 丁 烯 组 分 在 ９７％以 上 ， 正 是 由 于 聚 异丁烯结构中致密的侧甲基的作用， 使得丁基橡胶 具有优异的阻尼性能。文献［ ９］ 通过自由基聚合在 丁基橡胶主链上接第二种聚合物的支链聚甲基丙烯 酸甲酯， 拓宽了阻尼峰值。文献［ １０， １１］ 研究了聚氨 酯 分 子 链 的 侧 基 的 数 量 、接 枝 链 和 扩 链 剂 对 声 学 损 耗的影响。可见， 增加主链的长度、侧基数量和体积， 增大了分子运动链段变形的阻力和弛豫效果， 从而 加大了声损耗。
互穿网络 （ 聚合物 ＩＰＮ） ［１６， １７］ 是一种新型的高阻 尼材料， 交联网络之间的相互贯穿、缠结而产生强迫 互溶和协同效应， 使 ＩＰＮ 材料具有宏观上的不分相 和微观上的相分离的特点， 相容性大大提高， 制备的 阻尼材料具有宽温域和宽频域。目前 ＩＰＮ 高阻尼材 料主要有聚氨酯／环氧树脂 ＩＰＮ 和聚氨酯／乙烯基聚 合物 ＩＰＮ 两种聚氨酯互穿网络聚合物。
第 ２５ 卷第 ５ 期 ２００６ 年 １０ 月
声学技术 Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ
Ｖｏｌ．２５， Ｎｏ．５ Ｏｃｔ．， ２００６
水下目标吸声材料和结构的研究
石 勇， 朱 锡， 李永清， 李海涛
（ 海军工程大学船舶与海洋工程系， 武汉 ４３００３３）
摘要： 全面了解和掌握水下吸声材料及结构在应用频率范围内其不同温度、压力等环境下的声学性能 ， 对于水下目
第５期
石勇等： 水下目标吸声材料和结构的研究综述
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ５０７
料， 虽然其价格稍贵、水容性差， 但其具有优异的水 下吸声性能和极强的分子结构， 在声学有可设计性， 将成为未来水下吸声材料研究的主要方向。
３ 水下目标吸声结构的研究与应用
吸声结构的表面等效阻抗应与周围水介质的阻 抗匹配， 并且要尽量增加材料的声能损耗， 这样才能 减少声能的第一次和第二次反射， 如图 １ 所示。图 中 Ｒ１ 通过吸声材料与海水的声阻抗匹配减少， Ｒ２ 通过吸声材料内部损耗减少。
文 献 ［ １８］ 提 出 高 分 子 与 有 机 小 分 子 杂 化 的 概 念， 通过相分离构造的动态控制和氢键的积极利用， 得到极性高分子与小分子的杂化材料， 具有高的阻 尼值。
以上研究表明： 分子链上侧基的体积和数量， 交 联密度和聚合物网络的互穿等高分子结构， 都对声 能损耗有很大的影响， 通过进一步明确分子结构与 吸声机理之间的关系， 会又有数量更多、性能更好的 水下吸声材料出现。 ２．３ 水下吸声材料的应用与分析
上述水下吸声材料要满足的两个条件是矛盾 的， 在阻抗匹配的条件下， 材料的反射系数与损耗系 数成正比， 损耗越大， 则反射系数也越大。所以就必须 在材料内部加入声学结构， 一方面保证与水的阻抗匹 配， 另一方面增强覆盖层消声效果。常用的复合吸声 结构有： （ １） 空腔式吸声结构； （ ２） 耐压复合吸声结构； （ ３） 阻抗渐变式吸声结构； （ ４） 微粒复合吸声结构； （ ５） 三明治夹层吸声结构； （ ６） 压电式复合吸声结构。
（ １） 空腔式吸声结构 空腔式吸声结构是在均匀吸声材料内部留有球 形、圆柱形、圆锥形的声学空腔， 具体结构如图 ２、３ 所示。 空腔式吸声结构的吸声机理是： 利用入射声的 频率与空腔的固有频率接近时， 空腔发生共振， 产生 较大的变形， 从而增加损耗来吸收声能［１９－２１］。通过设 计 空 腔 的 尺 寸 可 以 消 除 所 需 频 率 范 围 内 的 声 能 ［ ２２］ 。 目前使用的大都为圆锥形空腔， 因为它不仅对较宽 的频率产生共振， 而且还有阻抗渐变的作用， 能减小 声能的反射。 这种声学结构主要用于增加低频段的声吸收， 同时也可以在整个频段上改善材料的吸声效果， 在 技术上是成熟的。但是， 随着水压力的增加， 锥形空
橡胶类材料作为水下吸声材料， 其研究始于二 战间期， 当前俄罗斯制造的潜艇使用了橡胶材料作 为吸声覆盖。橡胶吸声覆盖层的厚度一般在 ８ｍｍ￣ ７０ｍｍ， 甚至有达到 １００ｍｍ 左右的， 单纯采用实心橡 胶材料的吸声效果并不理想， 为提高声学性能， 多数 需要复合其它声学填料或结构。而聚氨酯类吸声材 料的研究和应用始于上世纪七八十年代， 北约国家 大都采用此种材料作为潜艇水下吸声用， 通过选择 合适的配方， 加入适当的填料， 在一定的范围内解决 了潜艇的消声问题。
２ 水下目标吸声材料的研究与应用
水下吸声材料其特性声阻抗一般是接近于水的 声特性阻抗， 并且具有较大的声能损耗。目前最常用 的该材料主要是橡胶类［４］和聚氨酯类材料［５］， 如丁苯 橡胶、丁基橡胶、氯丁橡胶、聚氨酯弹性体等。 ２．１ 水下吸声材料的吸声机理
水下吸声材料属于粘弹性体类材料， 它对声波 的损耗作用主要是通过材料的粘性内摩擦作用和弹 性弛豫过程完成的。粘性内摩擦作用的原理就是阻
１引言
声隐身性能是目前潜艇最重要的战斗力指标之 一。在潜艇外壳上覆盖一层具有吸声能力的材料， 能使主动声纳的回波信号减弱， 也减小了潜艇向外 辐射的噪声， 这相当于敌方水中兵器的作用距离下 降， 而本艇自身噪声的降低， 又提高了对敌水中目标 的探测距离， 达到在战术上先敌发现， 取得主动。
水下目标结构声隐身的研究领域十分活跃， 出 现 了 大 量 的 吸 声 材 料 和 吸 声 结 构 ［ １－３］ 。本 文 对 水 下 目
ＳＨＩ Ｙｏｎｇ， ＺＨＵ Ｘｉ， ＬＩ Ｙｏｎｇ－ｑｉｎｇ， ＬＩ Ｈａｉ－ｔａｏ
（ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｎａｖａｌ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ＆ Ｏｃｅａｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｎａｖａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｗｕｈａｎ ４３００３３， Ｃｈｉｎａ）
构的研究．
标吸声用材料的吸声机理和分子结构的声学设计、 水下吸声结构的形式、声学特性的研究和应用情况 进行了分析综述， 并对未来的发展进行了预测。
腔被压扁， 上部的等效阻抗不再是渐变的了， 与水阻 抗失配的增加， 使反射增强， 另外， 空腔的固有频率 也会升高， 低频吸声效果随之下降［２３］。
（ ２） 耐压复合吸声结构 材料中的气泡或气孔可以大大增加吸声效果， 但在几百米的水深压力下气泡被大大压缩， 材料的 弹性下降， 使结构的吸声效果变差。耐压复合吸声 材料要采用透声性能较好的刚性骨架与吸声材料结 合的结构。 一 般 以 金 属 铝 薄 壁 结 构 作 为 耐 压 的 外 骨 架 ［ ２４－２６］ ， 因为它具有良好的透声性， 材料吸声单元如图 ４ 所 示。通过耐压吸声试验结果表明： 在 ３ＭＰａ 压力条件 下， 不带骨架的吸声材料已无工作能力， 而装有铝外 壳的吸声材料可达常压下吸声效果的 ９０％。 这种复合材料实质上是内部的吸声材料在低压 条件下所起的吸声作用， 但工艺要求较高， 距实用尚 需时日。
聚氨酯弹性体与橡胶类吸声材料相比， 聚氨酯 分子链的活性大， 分子结构可设计性强， 可以通过改 变软硬段的比例、接枝、共聚等方法， 控制主链的长 度、支链的数量和体积、以及交联度， 进一步设计材 料的声学性能； 聚氨酯材料粘结性好， 有利于与填料 的混合， 从而制成的复合吸声材料能增加声波的损 耗； 而且聚氨酯材料的制２!作工艺相对２简! 单， 常温条件 即可进行， 不像橡胶材料的混炼工艺那么复杂。聚 氨酯类材料继橡胶之后被称为第二代水下吸声材
文献［ １２］ 研究了聚氨酯分子链交联密度和软硬 段种类和数量对声能损耗的影响。研究表明： 交联 密度降低， 分子链的运动阻力减少， 当材料受到外力 作用时， 就会有更多的分子参与构型转化， 使分子链 段内磨擦运动增加， 从而吸收外界能量； 同时， 由于 链段运动的自由度增大， 也加剧了聚合物分子与填 料之间的相互作用， 使材料的声能损耗大为提高。 另外， 软段含量增加， 材料声能损耗也增加。
单一材料的阻尼温域窄， 通过共聚和共混的方 法连接多个阻尼材料组分的玻璃化转变温度（ Ｔｇ） ， 从而实现材料的宽温域、高阻尼。文献［ １３］ 制备了
氯化丁基橡胶和聚（ 甲基） 丙烯酸酯共混复合物， 将有 效阻尼功能区移向高温。文献［ １４］ 通过丙烯酸酯橡胶 和聚氯乙烯共混， 得到的共混物在－ １０℃￣８０℃呈现两 个阻尼峰， 并使两峰间的阻尼值提高。文献［ １５］ 采用 聚氨酯和聚酯共混、共聚体系， 通过调节恰当的组分 比例， 制成了宽温域、高阻尼的聚氨酯材料。
５０６
声
学
技
术
２００６年
尼损耗。弹性弛豫过程的吸声机理是： 弹性吸声材 料会变形， 主要是由于每个分子由球形变为椭圆形， 而分子链本身并无变化， 这种变形的特征是有明显 的弹性滞后现象， 即分子链由原来各链段紊乱排列 的球形构象， 向各链段接近同向排列的构象过渡需 要一个过程， 而使一个分子链的各链段完全进入与 外力大小相应的新构象分布时， 需要更长的时间。 同理， 除去外力作用时恢复原状也需要一个过程。 在这一过程中， 变形落后于应力的变化， 使得声能转 变为热能而损耗。通过对吸声材料分子结构进行设 计， 可以达到增加粘性内摩擦和弛豫吸收的目的。 ２．２ 水下吸声材料分子结构的声学设计
关键字： 吸声材料； 声学机理； 高分子结构； 吸声结构
中图分类号： Ｏ４２７
文献标识码： Ａ
文章编号： １０００－３６３０（ ２００６） －０５－０５０５－０８
Ｏｖｅｒ ｖｉｅｗ ｏｆ ｎｅｗ ｍａｔｅｒ ｉａｌｓ ａｎｄ ｓｔｒ ｕｃｔｕｒ ｅｓ ｆｏｒ ｕｎｄｅｒ ｗａｔｅｒ ｓｏｕｎｄ ａｂｓｏｒ ｐｔｉｏｎ
水下吸声材料的声学性能与材料的高分子结构 （ 如分子 链 的 长 短 、构 形 、缠 绕 方 式 等 ） 是 密 不 可 分 的， 利用高分子材料的分子结构的可设计性， 对材料 进行吸声设计， 使其达到最佳吸声性能， 这就是分子 结构的声学设计。从材料研制的角度讲， 分子结构 的声学设计是提高水下吸声材料声损耗研究的主要 内容。一般通过嵌段、接枝、共聚和 ＩＰＮ 等方法对分 子结构进行设计， 增加材料声损耗的性能［６， ７］。
标结构的声隐身设计具有重要意义。结合近年来水下目标吸声材料和结构的应用及研究， 从材料声学设计的角度，
讨 论 了 水 下 吸 声 材 料 的 声 学 特 性 和 研 究 进 展 。 还 对 水 下 吸 声 结 构 的 形 式 、吸 声 机 理 和 应 用 情 况 进 行 了 归 纳 和 评 述 。
最后预测了水下目标吸声材料和结构的发展趋势。
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｆｏｒ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｓｏｕｎｄ ｓｔｅａｌｔｈ， ｉｔ ｉｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｓｏｕｎｄ－ ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒａｎｇｅｓ ｏｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ， ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ ｏｆ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｓｏｕｎｄ－ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｒｅ ｓｕｒｖｅｙｅｄ ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｃｏｕｓｔｉｃｓ． Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ， ｓｏｕｎｄ ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ， ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ． Ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｐｒｅｖｉｅｗｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｓｏｕｎｄ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ； ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ ｍａｔｅｒｉａｌ； ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
文献［ ８］ 解释了丁基橡胶的分子结构与阻尼性 能的关系： 丁基橡胶是异丁烯和少量异戊二烯的共 聚物 ， 其 中 聚 异 丁 烯 组 分 在 ９７％以 上 ， 正 是 由 于 聚 异丁烯结构中致密的侧甲基的作用， 使得丁基橡胶 具有优异的阻尼性能。文献［ ９］ 通过自由基聚合在 丁基橡胶主链上接第二种聚合物的支链聚甲基丙烯 酸甲酯， 拓宽了阻尼峰值。文献［ １０， １１］ 研究了聚氨 酯 分 子 链 的 侧 基 的 数 量 、接 枝 链 和 扩 链 剂 对 声 学 损 耗的影响。可见， 增加主链的长度、侧基数量和体积， 增大了分子运动链段变形的阻力和弛豫效果， 从而 加大了声损耗。
互穿网络 （ 聚合物 ＩＰＮ） ［１６， １７］ 是一种新型的高阻 尼材料， 交联网络之间的相互贯穿、缠结而产生强迫 互溶和协同效应， 使 ＩＰＮ 材料具有宏观上的不分相 和微观上的相分离的特点， 相容性大大提高， 制备的 阻尼材料具有宽温域和宽频域。目前 ＩＰＮ 高阻尼材 料主要有聚氨酯／环氧树脂 ＩＰＮ 和聚氨酯／乙烯基聚 合物 ＩＰＮ 两种聚氨酯互穿网络聚合物。
第 ２５ 卷第 ５ 期 ２００６ 年 １０ 月
声学技术 Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ
Ｖｏｌ．２５， Ｎｏ．５ Ｏｃｔ．， ２００６
水下目标吸声材料和结构的研究
石 勇， 朱 锡， 李永清， 李海涛
（ 海军工程大学船舶与海洋工程系， 武汉 ４３００３３）
摘要： 全面了解和掌握水下吸声材料及结构在应用频率范围内其不同温度、压力等环境下的声学性能 ， 对于水下目
第５期
石勇等： 水下目标吸声材料和结构的研究综述
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ５０７
料， 虽然其价格稍贵、水容性差， 但其具有优异的水 下吸声性能和极强的分子结构， 在声学有可设计性， 将成为未来水下吸声材料研究的主要方向。
３ 水下目标吸声结构的研究与应用
吸声结构的表面等效阻抗应与周围水介质的阻 抗匹配， 并且要尽量增加材料的声能损耗， 这样才能 减少声能的第一次和第二次反射， 如图 １ 所示。图 中 Ｒ１ 通过吸声材料与海水的声阻抗匹配减少， Ｒ２ 通过吸声材料内部损耗减少。
文 献 ［ １８］ 提 出 高 分 子 与 有 机 小 分 子 杂 化 的 概 念， 通过相分离构造的动态控制和氢键的积极利用， 得到极性高分子与小分子的杂化材料， 具有高的阻 尼值。
以上研究表明： 分子链上侧基的体积和数量， 交 联密度和聚合物网络的互穿等高分子结构， 都对声 能损耗有很大的影响， 通过进一步明确分子结构与 吸声机理之间的关系， 会又有数量更多、性能更好的 水下吸声材料出现。 ２．３ 水下吸声材料的应用与分析
上述水下吸声材料要满足的两个条件是矛盾 的， 在阻抗匹配的条件下， 材料的反射系数与损耗系 数成正比， 损耗越大， 则反射系数也越大。所以就必须 在材料内部加入声学结构， 一方面保证与水的阻抗匹 配， 另一方面增强覆盖层消声效果。常用的复合吸声 结构有： （ １） 空腔式吸声结构； （ ２） 耐压复合吸声结构； （ ３） 阻抗渐变式吸声结构； （ ４） 微粒复合吸声结构； （ ５） 三明治夹层吸声结构； （ ６） 压电式复合吸声结构。
（ １） 空腔式吸声结构 空腔式吸声结构是在均匀吸声材料内部留有球 形、圆柱形、圆锥形的声学空腔， 具体结构如图 ２、３ 所示。 空腔式吸声结构的吸声机理是： 利用入射声的 频率与空腔的固有频率接近时， 空腔发生共振， 产生 较大的变形， 从而增加损耗来吸收声能［１９－２１］。通过设 计 空 腔 的 尺 寸 可 以 消 除 所 需 频 率 范 围 内 的 声 能 ［ ２２］ 。 目前使用的大都为圆锥形空腔， 因为它不仅对较宽 的频率产生共振， 而且还有阻抗渐变的作用， 能减小 声能的反射。 这种声学结构主要用于增加低频段的声吸收， 同时也可以在整个频段上改善材料的吸声效果， 在 技术上是成熟的。但是， 随着水压力的增加， 锥形空
橡胶类材料作为水下吸声材料， 其研究始于二 战间期， 当前俄罗斯制造的潜艇使用了橡胶材料作 为吸声覆盖。橡胶吸声覆盖层的厚度一般在 ８ｍｍ￣ ７０ｍｍ， 甚至有达到 １００ｍｍ 左右的， 单纯采用实心橡 胶材料的吸声效果并不理想， 为提高声学性能， 多数 需要复合其它声学填料或结构。而聚氨酯类吸声材 料的研究和应用始于上世纪七八十年代， 北约国家 大都采用此种材料作为潜艇水下吸声用， 通过选择 合适的配方， 加入适当的填料， 在一定的范围内解决 了潜艇的消声问题。
２ 水下目标吸声材料的研究与应用
水下吸声材料其特性声阻抗一般是接近于水的 声特性阻抗， 并且具有较大的声能损耗。目前最常用 的该材料主要是橡胶类［４］和聚氨酯类材料［５］， 如丁苯 橡胶、丁基橡胶、氯丁橡胶、聚氨酯弹性体等。 ２．１ 水下吸声材料的吸声机理
水下吸声材料属于粘弹性体类材料， 它对声波 的损耗作用主要是通过材料的粘性内摩擦作用和弹 性弛豫过程完成的。粘性内摩擦作用的原理就是阻
１引言
声隐身性能是目前潜艇最重要的战斗力指标之 一。在潜艇外壳上覆盖一层具有吸声能力的材料， 能使主动声纳的回波信号减弱， 也减小了潜艇向外 辐射的噪声， 这相当于敌方水中兵器的作用距离下 降， 而本艇自身噪声的降低， 又提高了对敌水中目标 的探测距离， 达到在战术上先敌发现， 取得主动。
水下目标结构声隐身的研究领域十分活跃， 出 现 了 大 量 的 吸 声 材 料 和 吸 声 结 构 ［ １－３］ 。本 文 对 水 下 目
ＳＨＩ Ｙｏｎｇ， ＺＨＵ Ｘｉ， ＬＩ Ｙｏｎｇ－ｑｉｎｇ， ＬＩ Ｈａｉ－ｔａｏ
（ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｎａｖａｌ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ＆ Ｏｃｅａｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｎａｖａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｗｕｈａｎ ４３００３３， Ｃｈｉｎａ）